數(shù)值仿真的蝶閥性能比照分析

數(shù)值仿真的蝶閥性能比照分析以連續(xù)性方程、三維雷諾平均N-S方程和基于各向同性渦粘性理論的k-ε方程組成蝶閥內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬的控制方程組，并根據(jù)數(shù)值計(jì)算具體要求，設(shè)定出適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，采用構(gòu)造與非構(gòu)造網(wǎng)格相結(jié)合有限體積法對(duì)控制方程組開展離散，應(yīng)用CFD軟件Fluent對(duì)雙偏心蝶閥、單偏心蝶閥、桁架式蝶閥以及龜背式蝶閥開展內(nèi)部三維湍流流動(dòng)數(shù)值模擬的比照分析。通過對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的分析和比照，在獲得蝶閥宏觀性能曲線的根底上，分析其內(nèi)部微觀流場構(gòu)造與宏觀外部特性之間的關(guān)系。通過分析，桁架式蝶閥全開時(shí)的過流特性最優(yōu)，雙偏心蝶閥改善了閥門的動(dòng)力特性和逆向自密封性，使它具有優(yōu)良的調(diào)節(jié)特性和增加閥門的使用壽命。通過比照分析，獲得四種蝶閥的性能以及各種蝶閥的特點(diǎn)，從而為蝶閥的設(shè)計(jì)和選用提供參考。

蝶閥是流體傳輸與控制技術(shù)中重要的根底元件，是流體工程系統(tǒng)中調(diào)節(jié)和控制流體，以實(shí)現(xiàn)流體生產(chǎn)功能、確保工程安全的重要設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于航空航天、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等各個(gè)領(lǐng)域。蝶閥主要用于截?cái)嗷蚪油ń橘|(zhì)流，在某些特殊的情況下允許用來在一定范圍內(nèi)調(diào)控介質(zhì)的流量和壓力。它的這種外在的調(diào)控能力及特性，主要還是取決于其內(nèi)部流場的構(gòu)造及變化規(guī)律。

傳統(tǒng)的試驗(yàn)研究方法雖然可以準(zhǔn)確地獲得蝶閥的宏觀外部特性，但是其周期長、成本高，不能獲得蝶閥內(nèi)部的微觀流場構(gòu)造。筆者應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)不同構(gòu)造形式的蝶閥開展數(shù)值模擬研究，在獲得各種性能曲線的根底上，比照分析內(nèi)部微觀流場構(gòu)造與宏觀外部特性之間的關(guān)系，為蝶閥的設(shè)計(jì)與研究提供進(jìn)一步的參考。1、數(shù)值模擬過程控制方程組

閥門進(jìn)水管道、出水管道中的實(shí)際流動(dòng)是湍流。在定常條件下，采用k-ε湍流模型時(shí)，描述偏心蝶閥進(jìn)出水管道內(nèi)的定常不可壓縮流動(dòng)的方程如下：連續(xù)性方程為

動(dòng)量方程為

紊動(dòng)能k方程為

紊動(dòng)能耗散率ε方程為

上面各式中xi(i=1，2，3)為笛卡兒坐標(biāo)系坐標(biāo);ui(i=1，2，3)為沿i方向的速度分量;fi為沿i方向的質(zhì)量力;p為壓力;ρ為水的密度;ν為水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù);P為紊動(dòng)能生成項(xiàng)，其表達(dá)式為

式中

νt為渦粘性系數(shù)，可采用式(6)開展計(jì)算：

k-ε模型中經(jīng)驗(yàn)常數(shù)的取值通常情況下為Cμ=0.09，Cε1=1.44，Cε2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

流場出口：在此只考慮在流道內(nèi)的流動(dòng)，而且在流道出口處水流一般是充分發(fā)展的湍流，一般認(rèn)為此時(shí)的下游邊界的流動(dòng)狀態(tài)影響不到上游方向的流場。因此，在流場出口的邊界條件僅為沿垂直于該斷面方向的壓力梯度為零，此外，

固壁邊界：在固壁上采用無滑移條件，有速度u=v=w=0，且因本次計(jì)算主要考慮局部損失，則固壁處的摩阻流速不計(jì)。2、蝶閥計(jì)算區(qū)域及計(jì)算模型

取蝶閥閥體以及閥體前后進(jìn)出水管道為計(jì)算區(qū)域，為保證此時(shí)的邊界上為完全發(fā)展的湍流運(yùn)動(dòng)，桁架式蝶閥和龜背式蝶閥取閥前5×D管道及閥后20×D管道為計(jì)算區(qū)域，單偏心蝶閥和雙偏心蝶閥取閥前5×D管道及閥后10×D管道為計(jì)算區(qū)域，以保證進(jìn)出口面流動(dòng)穩(wěn)定均勻。

為了保證計(jì)算的精度，采用分塊網(wǎng)格劃分的方法劃分網(wǎng)格，進(jìn)出水管道部分以構(gòu)造化網(wǎng)格劃分，閥體部分以非構(gòu)造網(wǎng)格劃分，并將蝶板周圍的網(wǎng)格局部加密;以連續(xù)性方程、三維雷諾平均N-S方程和基于各向同性渦粘性理論的k-ε雙方程組成蝶閥內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬的控制方程組，采用有限體積法對(duì)控制方程組開展離散;采用求解壓力耦合方程的半隱式SIMPLE算法;本次計(jì)算的進(jìn)口處邊界條件為速度進(jìn)口，龜背式與桁架式蝶閥取進(jìn)口速度為v=1m/s，單偏心與雙偏心蝶閥取進(jìn)口速度v=2m/s，出口處為壓力出口。龜背式蝶閥與桁架式蝶閥以Z軸為流向，單偏心蝶閥以Y軸為流向，雙偏心蝶閥以X軸為流向。3、數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析

3.1、蝶閥全開時(shí)

桁架式蝶閥全開時(shí)，沒有出現(xiàn)旋渦流動(dòng)，壓力與流速分布較均勻，蝶板附近沒有明顯的壓降，整個(gè)流態(tài)相當(dāng)平穩(wěn)，這主要是因?yàn)殍旒苁皆O(shè)計(jì)大大增加了全開時(shí)的過流面積，使局部阻力降低到最小，這就決定了過閥損失系數(shù)必定較小，全開時(shí)過閥損失系數(shù)為ξ=0.102，是國內(nèi)現(xiàn)有蝶閥類產(chǎn)品中過閥損失系數(shù)最小的。

雙偏心蝶閥在全開的情況下，閥體內(nèi)部流場的壓力與流速分布較均勻，蝶板附近沒有明顯的壓降，整體流態(tài)比較平穩(wěn)。由XY截面和YZ截面等勢圖可以發(fā)現(xiàn)，由于偏心的作用，閥板在管道中避開了高速的主過流區(qū)，使得雙偏心蝶閥的有效過流面積增大，極大地降低了過閥損失。此時(shí)，通過觀察XZ截面等勢圖特別是X方向速度的等速圖，還可以看出其構(gòu)造的非對(duì)稱性造成了蝶板下邊緣處會(huì)出現(xiàn)較小的漩渦，而在面向來流方向的蝶板前緣和近壁面位置存在一定的壓力、速度梯度。

單偏心蝶閥在全開時(shí)XZ截面上的閥軸后部存在明顯的漩渦運(yùn)動(dòng)，渦區(qū)擾動(dòng)劇烈，消耗了大部分的機(jī)械能，產(chǎn)生的回流區(qū)阻塞了流道，減小了蝶閥的過流面積;由于蝶板前緣正面對(duì)管道內(nèi)流速最快的高速區(qū)，由XY截面上的等壓力圖可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)蝶板前緣的壓力梯度較雙偏心蝶閥明顯增多;而YZ截面上的流動(dòng)相對(duì)較為平穩(wěn)，與雙偏心蝶閥相差不大。

3.2、蝶閥相對(duì)開度為0.5時(shí)

龜背式蝶閥在關(guān)閉角度大于20°時(shí)(如圖1a所示)，在蝶閥反面開始出現(xiàn)漩渦流動(dòng)，當(dāng)關(guān)閉角度變?yōu)?5°時(shí)(如圖2所示)，蝶閥反面的漩渦流動(dòng)更加明顯。由于蝶閥反面存在局部低壓區(qū)，從蝶閥上方越過流體部分折向下流，從蝶閥下方流過的流體部分折向上流，從而形成兩個(gè)大小相等，方向相反的漩渦，并形成回流區(qū)，兩個(gè)漩渦向下發(fā)展過程中相互作用，逐漸減弱，最后基本消失。對(duì)于桁架式蝶閥，當(dāng)關(guān)閉20°時(shí)(如圖1b，1c所示)，流動(dòng)的不均勻性加強(qiáng)，產(chǎn)生漩渦的趨勢加強(qiáng);當(dāng)?shù)y關(guān)閉40°時(shí)(如圖3a，3b，3c所示)，XY截面的漩渦流動(dòng)加強(qiáng)，在XZ截面和YZ截面出現(xiàn)漩渦流動(dòng)。其中，XZ截面的漩渦在管道中部，呈對(duì)稱分布，YZ截面的漩渦出現(xiàn)在較大的碟板反面中部。此時(shí)，由于過流面積主要受較大的蝶板的影響，蝶閥的性能開始與龜背式蝶閥的性能相似。在雙偏心蝶閥關(guān)閉20°時(shí)(如圖1h，1i所示)，流態(tài)均勻改變，隨著雙偏心蝶閥相對(duì)開度降低為0.5，即雙偏心蝶閥關(guān)閉40°時(shí)(如圖3h，3i，3j，3k所示)，在XY截面與YZ截面渦流運(yùn)動(dòng)較為劇烈的區(qū)域均出現(xiàn)了漩渦流動(dòng)，表現(xiàn)出了較強(qiáng)的一致性。其中，通過觀察XY截面速度矢量圖可以發(fā)現(xiàn)，由于蝶閥反面存在的局部低壓區(qū)，造成了從蝶閥上方越過的流體部分折向下流，從蝶閥下方流過的流體部分折向上流，使XY截面蝶板的前后緣附近具有明顯的、與主流性質(zhì)不同的從屬二次流流動(dòng)，基本控制了蝶閥閥體內(nèi)部的主流動(dòng)流場，甚至影響到了雙偏心蝶閥出口處的出水流道內(nèi)部流場。不過由于蝶板的流線型設(shè)計(jì)，漩渦運(yùn)動(dòng)仍然被控制在較小范圍內(nèi);而YZ截面上的漩渦運(yùn)動(dòng)主要為兩個(gè)強(qiáng)度相同、方向相反的對(duì)稱渦，增加了蝶板板筋及閥軸邊緣壓力梯度和速度梯度;在YZ截面的靠近閥體邊緣的部分有一個(gè)速度較小、壓力相對(duì)較高的滯水區(qū)，出現(xiàn)了漩渦運(yùn)動(dòng)的趨勢?？梢哉J(rèn)為此時(shí)的雙偏心蝶閥外部宏觀特性很大程度上由XY截面和YZ截面上的渦運(yùn)動(dòng)決定。當(dāng)單偏心蝶閥關(guān)閉20°時(shí)(如圖1d，1e，1f，1g所示)，蝶板后面出現(xiàn)擾流，當(dāng)?shù)y關(guān)閉40°時(shí)(如圖3d，3e，3f，3g所示)，與雙偏心蝶閥相同，在XY截面與YZ截面均出現(xiàn)了具有較強(qiáng)一致性的漩渦流動(dòng)。在此開度下，3個(gè)截面上的漩渦運(yùn)動(dòng)都已經(jīng)出現(xiàn)，單偏心蝶閥與雙偏心蝶閥內(nèi)部的流場已經(jīng)基本相同。而此時(shí)的宏觀性能曲線在閥門關(guān)閉40°時(shí)，兩種蝶閥的性能曲線也已經(jīng)基本重合，證明了流場內(nèi)的漩渦運(yùn)動(dòng)對(duì)于其宏觀外部性能具有決定性影響。

圖1絕對(duì)開度70°時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果

圖2龜背式關(guān)閉35°時(shí)各截面流速矢量圖

圖3絕對(duì)開度50°時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果

3.3、蝶閥相對(duì)開度為0.1時(shí)

對(duì)于龜背式蝶閥，隨著關(guān)閉角度的繼續(xù)增大，在YZ界面上的回流區(qū)也逐漸增大，控制整個(gè)流場的構(gòu)造;當(dāng)關(guān)閉到85°時(shí)，在閥瓣的上下方分別形成兩個(gè)很大的回流區(qū)，回流區(qū)中心壓力最低。對(duì)于桁架式蝶閥，關(guān)閉60°時(shí)，YZ截面的旋渦基本靠近較大的蝶板的下緣點(diǎn)，XY截面與XZ截面有出現(xiàn)二次旋渦流動(dòng)的趨勢，XZ截面的一次旋渦向下游發(fā)展，此時(shí)蝶板附近的壓力梯度變得很大;蝶閥關(guān)閉70°時(shí)，XY截面和XZ截面出現(xiàn)二次旋渦流動(dòng)，XZ截面的一次旋渦進(jìn)一步向下游發(fā)展，YZ截面有出現(xiàn)二次旋渦流動(dòng)的趨勢，蝶板附近的壓力梯度進(jìn)一步增大;蝶閥關(guān)閉80°時(shí)，3個(gè)截面的旋渦運(yùn)動(dòng)都進(jìn)一步增強(qiáng)，在YZ截面上，桁架內(nèi)出現(xiàn)二次旋渦流動(dòng)，而在XY截面和XZ截面，桁架內(nèi)出現(xiàn)三次旋渦流動(dòng)，蝶板的附近形成很大的回流區(qū)，回流區(qū)中心壓力最低。對(duì)于雙偏心蝶閥，隨著相對(duì)開度降低為0。1，蝶板附近的速度梯度、壓力梯度進(jìn)一步增大，閥門3個(gè)截面上的漩渦運(yùn)動(dòng)變得更加劇烈;此時(shí)，在XY截面的過流斷面上，壓力、速度梯度集中在蝶板前后緣與密封副的交界處，在蝶板附近的渦區(qū)開始逐漸向管道的下游發(fā)展，閥體內(nèi)部的流場出現(xiàn)了明顯的二次漩渦流動(dòng)，同時(shí)XY截面上蝶板后部出現(xiàn)了范圍較大的兩個(gè)相互分離的回流區(qū)，其中，位于上部的回流區(qū)影響范圍更大，回流區(qū)中心壓力最低，成為雙偏心蝶閥閥體內(nèi)的主要擾動(dòng)。對(duì)于單偏心蝶閥，當(dāng)關(guān)閉80°時(shí)，由于蝶板的對(duì)稱構(gòu)造，蝶板后的回流區(qū)并沒有相互分離，而是連成了一個(gè)統(tǒng)一的大范圍回流區(qū)，控制了閥體及出水管道內(nèi)的流動(dòng);在XY截面、YZ截面上，均出現(xiàn)了二次漩渦運(yùn)動(dòng)，這些回流及漩渦運(yùn)動(dòng)極大的影響著單偏心蝶閥的宏觀性能。

通過比照計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)關(guān)閉角度小于30°時(shí)，桁架式蝶閥有非常優(yōu)異的過流特性，過流面積大，流阻小，流態(tài)比較穩(wěn)定。隨后，桁架式蝶閥的性能開始向龜背式蝶閥的性能惡化，但始終還是優(yōu)于龜背式蝶閥的性能;當(dāng)關(guān)閉角度極大時(shí)，出現(xiàn)三次旋渦流動(dòng)，這在龜背式蝶閥中極少見。雙偏心蝶閥由于其本身的不對(duì)稱性，使閥門被開啟后蝶板能迅即脫離閥座、大幅度地消除了蝶板與閥座的不必要的過度擠壓、刮擦現(xiàn)象，減小了開啟阻距、降低了磨損、提高了閥座壽命;但是與單偏心蝶閥比照，其構(gòu)造的不平衡性也給閥門本身的內(nèi)部流場帶來了相應(yīng)的損失，當(dāng)開度較大時(shí)，雙偏心蝶閥具有較好的過流特性，流態(tài)比較穩(wěn)定，壓力梯度較小，但當(dāng)開度逐漸減小時(shí)，其雙偏心構(gòu)造更加容易引起XY平面上的擾動(dòng)，從而引起漩渦與損失。4、結(jié)論

分析上述雙偏心碟閥內(nèi)部流場三維數(shù)值模擬和性能預(yù)測的研究結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

(1)在閥門全開的情況下，桁架式蝶閥的過流特性最優(yōu)，對(duì)流體的擾動(dòng)也最小，水力損失系數(shù)為0.102。

(2)軸面(XY截面)上的計(jì)算簡圖和流場的非對(duì)稱性充分地反映了這種雙偏心碟閥的構(gòu)造特點(diǎn)。閥門全開(開度為90°)時(shí)，雖然在蝶板的下邊緣處出現(xiàn)了較小的漩渦，同時(shí)碟板仍為軸面占流面積較大的龜背式，但由于蝶板避開高速主過流區(qū)，閥門的有效過流面積和綜合過流能力加大了。表現(xiàn)為流量系數(shù)較大(C≈66500);水力損失系數(shù)ξ≈0.289，計(jì)算工況下的水頭損失ΔH=0.169m，流動(dòng)阻力較小。

(3)開度大于70°時(shí)，桁架式蝶閥與偏心蝶閥具有優(yōu)異的過流特性，流態(tài)比較穩(wěn)定，壓力梯度較小，此時(shí)，桁架式蝶閥的過流性能最好。

(4)對(duì)于偏心蝶閥，隨著閥門開度逐漸降低，由于鈍體繞流作用，水流繞過蝶板邊緣后發(fā)生分離，形成兩個(gè)相似的對(duì)稱分布的耗能旋渦區(qū)，在往下